工程实践训练基础概要

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1、工程实践训练基础 （工程材料部分） 青岛科技大学机电学院 2014年12月,1,金属制品的加工过程 钢铁材料：板、棒、型材 （来自炼钢厂和轧zha钢厂） 成型加工 冷加工：车、铣、刨、磨、钻等；（第五章第九章） 热加工：铸造（第二章）、锻压（第三章）、焊接（第四章）等； 提高机械零件材料的性能： 热处理（第一章）。,2,第1章 工程材料及热处理 1.1 材 料 学 基 础 按固态物质内原子的聚集状态分为 晶体：原子在三维空间中有规则地周期性重复排列，晶体有固定的熔点，如金属。 非晶体：原子在三维空间中没有规则地排列，非晶体没有固定的熔点，是在一个温度范围内熔化，如玻璃、松香、石蜡。,3,1.1

2、.1金属的晶体结构 假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚球，晶体由这些刚球堆垛而成。用连线将各原子连接成三维几何排列形式，连线的交点称作“结点”，晶体原子排列称为晶格。 晶格的最基本的几何单元为晶胞，晶胞的棱边长度a、b、c 称为晶格常数，棱边间相互夹角为、表示（图11）。,4,2典型的金属晶体结构 常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方和密排立方晶格。 1）体心立方晶格（图l2） 晶胞的棱边长度a=b=c，夹角均为90，晶胞内有2个原子，原子半径 。 体心立方晶格的金属有Fe、Cr、V、W等。,5,2）面心立方晶格（图13） 晶胞棱边长度a=b=c，夹角均为90，晶胞内有4个原子，原子半

3、径 。 面心立方晶格的金属有Fe、Cu、Ni、A1、Au等。,6,3）密排六方晶格(图14) 晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方体，上、下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子，晶胞内有6个原子， 。晶格常数用柱体高度c和六边形的边长a两个晶格常数来表示，c与a之比c/a = 1.633。 具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn等。,7,1.1.2 多晶体结构及晶体缺陷 1多晶体结构和亚结构 实际金属是由许多大小不一、位向不一的多晶体（晶粒）组成，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界(图15)。多晶体显示出各向同性。,8,2实际金属晶体缺陷 实际金属晶体局部原子排列的规则性偏离理想晶体的排列状态，

4、这种区域称为晶体缺陷，晶体缺陷按其几何形态特征分为：,1）点缺陷 包括空位、间隙原子和置换原子等。点缺陷周围的原子也偏离了原来的平衡位置，造成晶格畸变（图16）。,9,2）线缺陷 一维尺寸相对很大的缺陷，这类缺陷也称为位错，基本类型有刃型位错和螺型位错两种（图17）。,10,3）面缺陷 二维尺寸相对比较大的缺陷，包括晶界、亚晶界和相界等（图19）。,晶体缺陷处及其周围均有明显的晶格畸变产生，引起晶格能量的升高，使金属的物理、化学和力学性能发生显著变化。,11,1.1.3 二元合金相图 凝固结晶：液态L 固态S 纯金属的冷却曲线和过冷现象。 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。过冷度大小与

5、冷却速度有关。,12,1 合金的结构 1）合金的基本概念 在金属中加入一种或几种元素冶炼成合金。 2）合金的相结构 按合金组元原子之间相互作用的不同，合金在凝固时，不同原子可能出现不同的混合形式。,13,（1）固溶体 成分和性质均匀的合金，保持晶格的元素称为溶剂，溶入的元素称为溶质。固溶体主要有： 置换固溶体 溶剂晶格某些结点上的原子被溶质原子所替代(图1-11(b)，溶解度取决于二者原子直径差和在周期表中相互位置的距离，如Si、Mn、Cr、Ni等溶入Fe。 间隙固溶体 溶质原子溶入与溶剂晶格空隙中（图1-11(a)），如C、N溶入Fe。,14,（2） 金属化合物 合金元素按一定比例形成新的金

6、属化合物，如铁与碳形成Fe3C（图125）。,15,2合金的结晶与二元合金相图 1）二元合金相图的基本知识 由两种或两种以上的组元按不同比例配制成一系列不同成分的所有合金称为合金系，如Al-Si系合金。 合金相图是表示在不同温度下，合金系中合金的状态、组织、温度和成分之间的关系。 利用合金相图可以知道各种成分的合金在不同的温度下有哪些相，各相的相对含量以及变化规律。 合金相图是制定合金铸造、锻造、焊接和热处理工艺的重要依据。,16,2）二元合金相图的建立方法 热分析法。,图1-12 建立Cu-Ni状态图的示意图,17,3二元相图的基本类型 1）匀晶相图 两组元在液态和固态时都能无限互溶的一类相

7、图。,L 相图分液相区L、单相区和液固两相共存区L+（图114）。 具有这类相图的合金系有：CuNi、FeCr等。,18,2）共晶相图 二组元在液态能完全互溶，在固态仅能有限溶解。在发生共晶反应时（图117） L + 低于共晶成分的合金叫亚共晶，高于共晶成分的合金叫过共晶。 具有这类相图的合金系有：PbSn、AlSi和CuAg等。,19,（2）结晶过程分析 合金I和合金的结晶(图1一16),图1-16 A-B合金、的结晶过程,20, 合金的结晶（共晶）（图117）,图1-17 A-B合金的结晶过程,21, 合金的结晶（亚共晶）和过共晶的结晶(图118),图1-18 A-B合金的结晶过程,22,

8、3） 包晶相图（略） 4） 共析相图 两组元在固态转变时，能发生共析反应的相图（图121）, + 低于共析成分的合金叫亚共析，高于共析成分的合金叫过共析。,23,共析反应与共晶反应的区别： （1）共析反应是固体下的反应，原子扩散比液态难得多，所以共析反应比共晶反应更易于过冷。 （2）由于共析反应易于过冷，得到的两相机械混合物(共析体)要比共晶体细。 （3）共析反应易产生较大的内应力。,24,1.1.4 铁碳合金相图 了解与掌握铁碳合金相图对于各种热加工工艺的制订具有重要的指导意义。 1铁碳合金的相结构 1）纯铁 铁的密度为7.87gm3，熔点为1538，具有同素异构转变，由图122可以看出，铁

9、在固态时随温度的变化有三种同素异构体Fe、Fe和Fe。 纯铁虽有较好的塑性，但其强度、硬度差。,25,2）碳溶于铁中形成固溶体 （1）铁素体 碳溶解于Fe中所形成的间隙固溶体称为“铁素体”，以符号F表示。铁素体为体心立方结构，室温时碳在Fe中的溶解度仅为0.0008。 （2）奥氏体 碳溶解于Fe中形成的间隙固溶体，称为“奥氏体”，以符号A表示。奥氏体为面心立方结构。在727C时，Fe溶碳量为0.77，在1148C其最大溶碳量为2.11。 奥氏体是一种存在于高温状态下的组织，有良好的韧性和塑性，变形抗力小，易于锻造成型。,26,3）铁与碳的化合物 当碳在Fe或Fe中的溶解度达到饱和时，过剩的碳原

10、子就和铁原子化合，形成间隙化合物Fe3C，称为“渗碳体”，以符号Cm表示。其晶格是复杂三斜晶格(图125)。 渗碳体硬而耐磨，极脆，是铁碳合金的重要强化相。,综上所述，FeFe3C合金系中存在四个相，即液体(L)、铁素体(F)、奥氏体(A)、Fe3C（Cm）。,27,2FeFe3C相图分析 图127是FeFe3C相图，图中各特性点的温度、碳浓度及意义见表11。 1）相图中重要的 点、线、区及其意义 ABCD线：液相线 AHJECF线：固相线。 NJESGN区：奥氏体区(A)； GPQG区：铁素体区(F或)； DFK区：渗碳体区(Fe3C)。,28,相图中三个基本转变 （1）包晶转变： （2）共

11、晶转变： 反应产物是奥氏体和渗碳体的混合物，称为(高温)莱氏体（Ld）。 （3）共析转变： 反应产物是铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体（P）。,29,相图中三条重要的特性线 （1）PK线（A1线）：共析线，珠光体转变成奥氏体。 （2）GS线（A3线）：奥氏体中析出铁素体的开始线。 （3）ES线（Acm线）：碳在奥氏体中的固溶线。随温度降低，从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C)。 这些线的温度被称为临界温度。,30,根据FeC相图，按其含碳量及组织的不同，分为纯铁、钢和铸铁三大类。 工业纯铁： c0.0218，显微组织为铁素体。 钢：c在0.02182.11之间，高温固态组织为奥氏

12、体，塑性好宜锻造。 铸铁：c在2.116.69之间。,3含碳量对FeC合金组织及性能的影响,图137是不同含碳量的铁碳合金在平衡凝固时的显微组织,31,2）含碳量对力学性能的影响 由于铁素体则是柔软的韧性相，而Fe3C是硬脆的强化相。所以总的趋势随着碳含量的增加，Fe-C合金的硬度增大，塑性下降。因为钢的韧性是硬度和塑性的综合指标，所以在c 为0.8%时有一最大值（图139）。 白口铸铁存在较多的渗碳体，硬而脆，难以切削加工。,32,4相图的应用 FeFe3C相图除可作为选材的重要依据外，还可作为制定铸造、锻压、焊接、热处理等热加工工艺的依据。 1）在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构需用塑性、

13、韧性好的材料，宜选用碳含量较低的钢材；要求强度、塑性及韧性都较好的机械零件则应选用碳含量适中的中碳钢；各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则应该选择碳含量较高的钢种。 2）在铸造工艺方面的应用 共晶成分的铁碳合金凝固温度区间小，结晶温度较低，因此铸铁一般选用接近于共晶成分的合金。,33,3）在热锻、热轧工艺方面的应用 处于奥氏体状态下钢的强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制一般选在单相奥氏体区内进行，此时钢的变形抗力较小，对设备的要求较低。 4）在热处理工艺方面的应用 FeFe3C相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义。些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据FeFe3C相图确定的。,

14、34,1.2 热处理工艺 提高金属材料性能的方法 1） 研制新材料 2）进行热处理 热处理是将金属材料在固态通过加热、保温和冷却过程，使其组织改变，获得预期性能要求的工艺操作（图140）。 根据热处理时的加热温度、冷却速度不同，分为退火、正火、淬火、回火四种热处理工艺。,退火和正火为钢的预先热处理，淬火和回火为最终热处理。,35,1.2.1 退火及正火 退火：将钢加热到临界温度以上适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。 正火：将钢加热到临界温度以上适当温度，保温后以较快冷却速度冷却(通常为空气中冷却)，以获得组织的热处理工艺。 退火和正火的主要目的： 调整钢件硬度以便进行切

15、削加工； 消除残余应力，以防钢件的变形、开裂； 细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能； 为最终热处理(淬火回火)做好组织上的准备。,36,退火工艺（图141）： 1） 在临界温度(Ac1或Ac3)以上的退火：又称相变重结晶退火，包括完全退火、均匀化退火和球化退火等； 2）在临界温度以下的退火：包括软化退火、再结晶退火及去应力退火等。各种退火和正火的加热温度范围。,37,1.2.2 淬火及回火工艺 1淬火 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的是为了提高钢的硬度等力学性能。,38,1）淬火工艺 （1）淬火加热温度的选择 淬火加热要保证获得细小而均匀的奥氏体，使淬火后得到细小而均匀的马氏体或贝氏体。 淬火加热温度（图142） 亚共析钢： Ac3 十（3050） 共析钢、过共析钢： Ac1十（3050）,（2）淬火介质 常用淬火介质有水、油及水基淬火剂。,39,2回火 把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度，保温后进行冷却的热处理工艺。 回火应紧接着淬火后进行，目的是： (1) 降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。 (2) 通过适当回火温度来调整硬度，获得所需的塑性和韧性。 (3) 稳定工件尺寸。,40,2）回火种类及应用 （1）低温回火 温度为150C250C，组织为回火马氏体。目的是降低淬